四自由度直角坐標機器人機械結構改進設計及定位精度分析,自由度,直角坐標,機器人,機械,結構,改進,改良,設計,定位,精度,分析 四自由度直角坐標機器人機械結構改進設計及定位精度分析 摘 要 在現(xiàn)代的制造業(yè)中，四自由度直角坐標機器人已經成為了工業(yè)生產不可缺少的核心自動化設備。四自由度直角坐標機器人的能力，以適應工作環(huán)境，并能服務于各類生產工作強度大，精度高，速度快，易于控制，可顯著提高生產工業(yè)自動化水平。國內四自由度直角坐標機器人起步晚，市場占有率低，許多人還沒有掌握核心技術，可靠性低，小型應用程序，零件互換性低。 我們設計了四個自由度直角坐標機器人的可攜帶上下工件。四個自由度機器人的由兩個機構和兩個旋轉自由度平移自由度的組織的，根據機器人的運動參數，選擇足夠的電力伺服電機，然后估算自由移動所需的力，選擇所述驅動轉矩機制，而不是正確的，合適的尺寸減小。伺服電機減速機傳動機構，轉動腰部由移動機器人手臂垂直旋轉水平運動和操作臂的末端。伺服電機電纜在機器人輔助系統(tǒng)作進一步審議，觸發(fā)機制和零線布局設計設計坦克鏈裝置。 關鍵詞：四自由度，直角坐標，四自由度直角坐標機器人，機械設計  Mechanical Design of a 4-DOF Cylindrical Industrial Robot Abstract In modern manufacturing, industrial robot has become an indispensable core automation equipment. Industrial robot has good adaptability, can adapt to all kinds of mass production, high precision, fast speed, easy to control, can significantly improve the automation level of production. Domestic industrial robots started late, has low market share, low reliability, and many core technologies have not yet mastered. The application scope is small, the interchangeability of parts is low. The design of a kind of four degree of freedom cylindrical coordinate robot, can realize the workpiece moving up and down. The four degree of freedom robot mechanism is composed of two rotational degrees of freedom and two translational degrees of freedom mechanism. According to the robot movement parameters, servo motor is selected, and then estimates the sufficient power, force and torque of each degree of freedom movement needs, choose the appropriate transmission ratio and suitable reducer. Drive mechanism motion through the servo motor reducer, and then we can realize the robot waist rotation, vertical lifting arm, arm movement and rotation of the end effector. In part of the design of robot auxiliary system, we take the arrangement of servo motor wire tank chain, design the trigger switch and wire arranging mechanism the zero position into consideration. Key Words： 4-DOF; Cylindrical?coordinates; Industrial Robot; Mechanical design  目 錄 摘 要 ⅰ Abstract ⅱ 第一章 引 言 1 1.1 四自由度直角坐標機器人 1 1.1.1 四自由度直角坐標機器人的概念及特點 1 1.1.2 四自由度直角坐標機器人的組成 1 1.1.3 國內外發(fā)展狀況 2 1.2 研究內容 2 1.2.1 研究方法 2 1.2.2 研究成果 2 1.3研究意義 2 第二章 機構結構設計 4 2.1 設計分析及方案擬定 4 2.1.1 設計要求 4 2.1.2 設計流程 5 2.1.3 方案擬定 5 2.2 主要結構件設計 6 2.2.1旋轉平臺結構 6 2.2.2滾珠絲杠結構 7 2.2.3中間連接器 9 2.2.4外殼設計 11 2.3受載變形校核 11 第三章 傳動機構設計 13 3.1腰部轉動 13 3.1.1減速器選擇 13 3.1.2伺服電機選擇 14 3.1.3傳動法蘭盤設計 15 3.2豎直平移 16 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 16 3.2.2伺服電機選擇 18 3.2.3聯(lián)軸器選擇 19 3.3水平平移 20 3.3.1滾珠螺母絲杠選擇 21 3.3.2伺服電機選擇 21 3.3.3聯(lián)軸器選擇 22 3.4手臂末端操縱器旋轉 23 3.4.1伺服電機選擇 23 3.4.2減速器選擇 24 第四章 輔助機構設計 25 4.1 坦克鏈線路設計 25 4.2 機構零點設計 26 第五章 機械結構改進設計及定位精度分析 28 5.1 機械結構改進設計 28 5.2 定位精度分析 28 第六章 總結與展望 28 6.1 總結 28 6.2 展望 28 參考文獻 30 致謝 31 附錄 32 - 12 - 第一章 引言 1.1四自由度直角坐標機器人 1.1.1四自由度直角坐標機器人的概念及特點 我們的專家講解四自由度直角坐標機器人的概念也不同，集成在論證的各個方面，從四度，可以在功能上可以實現(xiàn)自由直角坐標機器人，四自由度直角坐標機器人是一個機器具有以下特點： （1）具有的機構的移動操作; （1）具有通用性，可以實現(xiàn)各種運動操作; （2）是有一定程度的智能，可以重復編程; （3）是有一定程度的獨立性，在一定程度上不依賴于人的操縱。 1.1.2四自由度直角坐標機器人的組成 四自由度直角坐標機器人一般由機械系統(tǒng)和控制系統(tǒng)組成，四自由度直角坐標型四自由度直角坐標機器人的機械系統(tǒng)組成由下圖可知： 圖1.1 四自由度直角坐標型四自由度直角坐標機器人機械系統(tǒng)組成 （1）驅動機構：本設計使用四個交流伺服電機驅動四個自由度。至于壓力，所述液壓驅動裝置的體積是大的，因為不使用一個大的行程。 （2）執(zhí)行機構：執(zhí)行機構的設計包括一個底座，腰部機關，事業(yè)單位和結束機械臂。使用螺母和兩個行星齒輪減速傳動，能夠旋轉運動轉換成線性運動或到高速轉換為低速，則動力被傳遞到致動器。 1.1.3國外發(fā)展 上世紀中葉，美國結合都手工和機器操作機的優(yōu)點，該程序自動執(zhí)行的動作機制，稱為四自由度直角坐標機器人的發(fā)展。 20世紀60年代末，通用汽車的機械手臂，建立了車身焊接的自動化生產線。自那時以來，開發(fā)和應用的四個自由度直角坐標機器人，在各個工業(yè)國家的注意。日本也被稱為“機器人王國”可以在日本的四自由度直角坐標機器人產業(yè)被看作是發(fā)達的，現(xiàn)在在日本智能四自由度直角坐標機器人取得了巨大成就。隨后，四自由度直角坐標機器人產業(yè)開始興起在歐洲[2]。 四度在中國的自由度直角坐標機器人的發(fā)展很快，但相比世界先進的四自由度直角坐標機器人，技術差距依然明顯[3]。國內四自由度直角坐標機器人起步較晚，相比國外的先進技術，可靠性低的國內四自由度直角坐標機器人，狹小的應用，生產線，工藝技術落后，低零件的互換性[4]。四自由度直角坐標機器人，可以在惡劣的環(huán)境，勞動強度高，勞動繁瑣工作中使用，從解放人。 1.2研究內容 1.2.1研究方法 現(xiàn)在設計的四自由度直角坐標機器人具有四個自由度，使用笛卡爾，使用這種機器人裝載和的工件裝卸卸。該系統(tǒng)的主要部件的機械設計的設計。四度機器人的自由度是腰部旋轉，臂垂直升降，水平伸縮臂和操縱器臂旋轉的終點。的四個自由度，以確定其自己的傳輸模式下，選擇齒輪。確定的功率要求機器人運動的各運動部件，然后選擇合適的伺服電機和減速。機器人手臂的三維實體設計軟件設計的整體結構的SolidWorks 2013，身體質量，質量等參數的中心的分析是很方便的。 1.2.2研究 基本的設計任務，具體結果如下： （1）整體結構設計完成四個自由度直角坐標機器人，其包括一個基座，腰部旋轉平臺，垂直機身，水平臂和旋轉平臺設計的尖端; 簡單的設計（2）完成住房封裝，整個傳感器的設計機構和零極限位置; （3）完成組裝機器人三維實體，并繪制了機器人的2D繪圖。 1.3意義 直角坐標機器人有四個自由度是一個重要的現(xiàn)代制造業(yè)自動化機械，一些機械，工作環(huán)境惡劣危險的，沒有創(chuàng)新的工作可以由機器人取代人工。在金屬熱壓，需要人們在爐子附近工作，沖壓床，車床或鉆孔加熱溫度四個自由度直角坐標機器人的，該程序可以被寫入，以防止碰撞其他處理工具，以避免工作出現(xiàn)危險的可能性[6]。 四 - 自由度直角坐標機器人可適應多品種小批量的生產，高精密高速，易于控制，可顯著提高自動化生產水平。小負荷旋轉臂車型目前四度自由直角坐標機器人的市場容量，廣泛的應用[8]。 第二章 機構結構設計 2.1設計分析及方案擬定 2.1.1設計要求 主要解決問題：按下表中參數的要求，設計一種四自由度直角坐標型四自由度直角坐標機器人，完成該四自由度直角坐標機器人的機械結構設計、驅動裝置設計、傳動裝置設計、各自由度零點和極限位置設計及傳感器選擇： 表2.1 機器人設計參數 最大負載/kg 腰部、臂部回轉角度/o 伸縮行程/mm 高度行程/mm 最大旋轉角速度/(rad·s-1) 最大移動速度/(m·s-1) 重復定位精度 /mm 3 360 500 500 2 1 ±0.1 機器人的工作空間是指機器人正常工作時手臂末端操縱器能活動的范圍，可從上表推得，工作空間圖如下： 圖2.1 機械手臂工作空間 2.1.2設計流程 （1）分析四個自由度，選擇適當的驅動方式、傳動裝置和機構件； （2）用三維建模軟件完成主要零件（包括所有結構件）的三維建模，并初步完成三維實體模型裝配； （3）對實體模型相關參數進行測量估算，按設計要求，最終確定電機、減速器、絲杠等產品參數，完成裝配； （4）對機器人運動進行動畫仿真和受載分析，驗證設計正確性； （5）繪制二維工程圖。 流程圖如下圖所示： 圖2.2 設計流程 2.1.3方案擬定 根據設計需求，設計出的四自由度直角坐標機器人大致外形圖如圖2.1所示。 圖2.3 四自由度直角坐標機器人圖 從上表表明，該設計參數，機器人臂行程為500mm，體積較大，使用電動機作為驅動裝置?？紤]到缺乏精密步進電機，在一般的加速性能，容易產生丟步或過沖，高性能的交流伺服效果并不好電機，但機械手臂起動頻率高的設計也因為和需要快速啟動和停止，你需要因此達到一定的傳動精度，選用交流伺服電機。 選擇齒輪行星齒輪減速機傳動和螺桿螺母驅動器，其中的行星齒輪減速器腰高扭矩的低速傳輸，螺絲螺母手臂水平和垂直平移的車程。確定草圖機構機器人確定機器人的整體結構，直角坐標機器人四度的機制設計框圖自由如下所示： 圖2.4 機器人運動簡圖 伺服電機和行星齒輪減速機，實現(xiàn)了機器人的低轉腰運動;考慮為500mm的水平移動行程的設計，是比較大的，也有使用前部和后部橫向臂的平移滾珠螺桿旋轉伺服馬達來實現(xiàn)水平和垂直移動兩個直線移動螺母設置成90度的角度偏差，固定于一個共同的十字形鋼結構，沿水平方向以實現(xiàn)橫向螺母不移動回來的螺紋作用往復運動;低功率伺服馬達和行星齒輪連接，在該水平臂固定在支承板，操縱器的端部的效果旋轉的一端。 2.2主要結構件設計 設計的機器人主要結構包括旋轉平臺、滾珠絲杠、中間連接器、和外包裝。 2.2.1旋轉平臺結構 旋轉平臺是腰部旋轉的實現(xiàn)的基礎，一般要求有足夠的穩(wěn)定性，結構要求便于裝修。它將基座和上方的運動機構連接起來，承載運動機構的重量，旋轉平臺的設計對于機器人的平衡性有很大影響。 旋轉平臺結構如下圖所示， 圖2.5 旋轉平臺結構圖 內支撐套支撐機身重量，外支撐套帶動腰部轉動。內支撐套和外支撐套間的連接通過兩個軸承實現(xiàn)：止推軸承承受整個機身的重力，向心圓柱滾柱軸承起到防止機構徑向力失衡的作用。傳動法蘭盤用螺栓連接在外支撐套上，其內圈有鍵槽，配合減速器輸出軸，輸出軸轉動，帶動法蘭盤和外支撐套轉動。減速器用螺栓連接至內支撐套上，輸出軸伸出，旋上螺母，壓緊內外支撐套,實現(xiàn)腰部的軸向固定。 2.2.2滾珠絲杠結構 滾珠絲杠結構實現(xiàn)了手臂的上下和前后平移，結構如圖所示： 圖2.6 滾珠絲杠機構 絲杠安裝采用兩端支撐方式，兩端各裝有一個角接觸球軸承(22-8-7,32-15-9)，軸承由其兩端的軸承座固定，軸承座安裝應使絲杠軸線與支撐板平行。軸承座自行設計，其三維模型如下圖： 圖2.7 軸承座 導軌為滾珠絲杠結構提供了足夠的支撐力。導軌首先選擇滾珠型直線導軌，主要考慮其軌寬和軌長，滑塊主要是確定類型和數量。導軌選擇軌寬15mm，軌長根據工作行程需求選擇600mm?；瑝K選擇四方型滑塊，其結構及總體尺寸如下圖所示： 圖2.8 四方型滑塊 由于支撐板是主要承載部件，需要校核支撐板的受壓穩(wěn)定性。分析支撐板受力，支撐板可以看作下端固定上端自由的壓桿，壓力為機身的重力，作用點在機身的中心位置，如下圖所示： 圖2.9 支撐板壓桿模型 臨界壓力的公式為 (1) 式中：Fcr是臨界壓力；E是支撐板材料45鋼的彈性模量，一般是196-216GPa；I是支撐板的慣性矩，可由三維模型的質量屬性得到，40067 kg·mm2；μ是長度系數，對于一端固定一端自由的情況，μ值為2.1；L是支撐板長度600mm。計算得到，F(xiàn)cr=4.98×1010N，遠大于實際所受重力。 2.2.3中間連接器 （1）中間連接器的設計 中間連接器是連接水平絲杠和豎直絲杠的裝置，它將由豎直絲杠螺母機構旋轉而產生的豎直方向的位移，傳遞給水平絲杠螺母機構，使得手臂能夠正常上下移動。中間連接器由兩個螺母滑塊連接器和一塊中間連接板組成，相互之間用內六角螺栓連接，其結構如下圖所示。 圖2.10 中間連接器 螺母滑塊連接器自行設計，材料選擇45鋼，其制造工藝流程簡單來說是鑄造、銑平面、鉆孔、攻螺紋。其安裝尺寸由上述滾珠絲杠的螺母及滑塊位置決定，外形如下圖所示。 圖2.11 螺母滑塊連接器 圖2.12 中間連接板 （2）中間連接板的強度校核 中間連接板主要需校核其與螺栓接觸面上的擠壓應力，擠壓的強度條件是 (2) 式中：Fbs是擠壓力，Abs是擠壓面面積，[σbs]是擠壓許用應力。 由中間連接器的三維模型可知，工作中的連接板與16個螺栓相互接觸，螺栓直徑3mm，連接板厚度5mm，單個螺栓對連接板的擠壓面的面積Abs為15×10-6m2。 圖2.13 連接板受力圖 總的擠壓力F為水平手臂的重力，由Solidworks三維建模，經過測量得到質量m不大于15kg，因此單個螺栓孔受到擠壓力為 Fbs=mg/16=9.2N (3) 因此，運算得到擠壓許用應力 [σbs]≥0.613MPa (4) 查表，可知鋼材的擠壓許用應力[σbs]≈355MPa，遠大于最低要求。 2.2.4外殼設計 機器人外殼外形圖如圖所示，其主要作用是滾珠絲杠的防塵，導線線路的排布和整體機型的美觀。外殼采用鋁合金蒙皮包裝，蒙皮厚度為3mm，質量輕。材料塑性好，采用鍛壓加工工藝，鍛壓成型。再以鉆頭打螺栓孔，以便于安裝固定。為方便制造，將整體的外殼分成三段，分別制造。 外殼及其總體尺寸如下圖所示： 圖2.14 外殼圖 2.3受載變形校核 受載變形校核可簡單的由模型模擬機器人的末端受載時的撓度，得到形變偏移值。應用Solidworks Simulation的有限元分析功能，簡單分析彎曲變形。 根據機器人結構受力情況分析，主要是支撐板、絲杠、導軌等結構同時承載負載重量，因此受載的模型可簡化如下圖： 圖2.15 簡化的受載模型 下端做固定端，右上端的伸出端受向下的負載3kg，及30N的力，材料統(tǒng)一選擇合金鋼，其彈性模量是2.1×1011N/m2。運行結果為最大位移量0.0392mm，基本滿足重復定位精度±0.1mm的要求。詳見附錄1。 第三章 傳動系統(tǒng)設計 變速箱的設計主要是確定傳輸模式，驅動器選擇電機，減速機的選擇和設計和選擇的其他輔助配件。機器人平移自由度的設計是用來實現(xiàn)滾珠絲杠螺母，旋轉自由度被用來實現(xiàn)一個行星齒輪減速。選擇電機步進馬達和AC伺服馬達，考慮到缺乏精密步進電機，步進電機加速性能一般，易產生丟失步驟和過沖。機械手臂起動頻率高的設計，要求快速啟動和停止，以及需要達到一定的傳動精度，因此選擇交流伺服電機。 3.1腰部轉動 腰部旋轉采用行星齒輪減速器傳動。 圖3.1 腰部減速器 減速器輸出軸上有鍵槽，可直接連接在底盤的傳動法蘭盤上，帶動腰部的上平臺轉動。 3.1.1 減速器選擇 由于伺服電機的機器人的相對轉動比腰部驅動慢，取大的腰圍尺寸的機器人時，它可以是一個行星齒輪減速機，實現(xiàn)了傳輸的更大的傳動比。 降低了整個機器人臂體的尺寸盡可能地緊湊，選擇齒輪單元的類型，我們選擇了一個彈性套筒中空輸入齒輪，實心軸輸出。 （1）確定的P 2的期望的功率驅動單元?: P2 =KMgvμ （5） 其中：米腰部用32.6公斤，約m≈33kg測量質量的旋轉部分的三維實體模型，再加上需要運行的致動器和3公斤重的端部上面，基于總質量的M = 40千克; K是一個安全系數，K = 1.2; g是重力加速度; v是機構的速度，以2米/秒; μ為摩擦系數，μ= 0.15。計算P2 = 141.1W。 （2）確定齒輪傳動比i： （6） 其中：n1為電機轉速，N2腰部速度。腰圍最大旋轉角速度ω2= 2rad / S，速度N2 =9.55ω2= 19.1r / min時，伺服電機的轉速n1 = 3000轉/分，那么我= =一百五十七分之三千19.1，取I = 120，三種傳輸。 （3）確定使用系數f1： 查減速器技術手冊，假設均衡負載下啟動次數少，每日工作12小時，f1=1.25。 （4）被驅動設備的扭矩T2： T2=9550×P2/n2 (7) 式中：P2是驅動設備所需功率，n2是腰部最大轉速。計算得T2=70.5N·m。 （5）減速器輸出扭矩T2N： T2N≥T2×f1=88.1N·m (8) 根據傳動比i、減速器輸出扭矩T2N≥88.1N·m，查詢減速器技術手冊，選擇減速器：px-85-120-S，減速器相關技術參數如下表： 表3.1 腰部減速器技術參數 減速器型號 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩T2N/N·m 轉動慣量J/(kg·cm2) 最大徑向力Fr/N 最大軸向力Fa/N PX-85-120-S 120 90％ 100 0.7 440 420 （6）減速器徑向、軸向力校核： 減速器軸在徑向不受外力作用，因此不用校核。軸向有緊固螺釘對軸的拉力，考慮到緊固螺釘的作用僅僅是防止機身徑向不平衡，所受軸向力很小，軸向力可不用校核。 3.1.2 伺服電機選擇 （1）電機所需功率P1N： P1N≥K·P2÷η×f1=193.7W (9) 式中：K是安全系數，P2是驅動設備所需功率，η是滿載效率，f1是設備使用系數。 查伺服電機和減速器的技術手冊，所選減速器對應電機的安裝尺寸為Φ90mm，對應伺服電機功率750W，因此選擇電機型號：MSME 082G1，相關技術參數見下表： 表3.2 腰部伺服電機技術參數 電機型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉速n /(r·min-1) 最大轉速nmax /(r·min-1) 額定轉矩T /(N·m) 最大轉矩Tmax /(N·m) 轉子轉動慣量JM/(kg·cm2) MSME 082G1 750 AC200 3000 6000 2.4 7.1 0.87 （2）伺服電機慣量比校核： 估算負載慣量： (10) 式中： 估算電機和減速器的慣量： (11) 計算得： J負載慣量/J電機+減速器=2.50倍<20倍 (12) 慣量比滿足要求。 （3）伺服電機轉矩校核： 根據傳動比i、減速器輸出扭矩T2N≥88.1N·m，可以計算得到伺服電機最小所需的輸出扭矩T電機： T電機=T2N ÷ i ÷ η≥0.81 N·m (13) 電機額定扭矩T=2.4 N·m>T電機，所以轉矩滿足要求。 3.1.3傳動法蘭盤設計 傳動法蘭盤連接PX85行星齒輪減速器和腰部旋轉平臺，與行星齒輪減速器的輸出軸用鍵連接，與腰部旋轉平臺用螺栓連接，將行星齒輪減速器的扭矩傳遞給腰部旋轉平臺，使腰部旋轉運動得以實現(xiàn)。 傳動法蘭盤的設計圖如下： 圖3.2 傳動法蘭盤 3.2豎直平移 豎直平移傳動方式選擇滾珠螺母絲杠（圖片）。伺服電機需要安裝在頂部，為防止機械手臂自重下滑，伺服電機應帶有制動器。滾珠螺母絲杠的絲杠一端連接聯(lián)軸器，伺服電機輸出軸連接聯(lián)軸器另一端。 3.2.1滾珠絲杠及螺母選擇 （1）選擇螺母型號 由三維實體所建立的模型，可選擇法蘭式單螺母，F(xiàn)型，切邊六孔。 圖3.3 絲杠螺母 （2）確定絲杠導程BP 由傳動關系圖可得 (14) 式中：vmax是工作臺最大平移速度1m/s；i是傳動比，i=1；nmax是電機最大轉速6000r/min，計算可得導程Bp等于10mm。 （3）確定絲杠公稱直徑BD 已知μ是摩擦系數0.03；WA是負載質量，可由三維實體建模測量得出WA=20kg；g是重力加速度，計算導向面的摩擦力Fa： Fa=μ·WAg=0.25×20×9.8=49 N (15) 因此絲杠旋轉需承受的推力F： F=Fa+ WAg=676.2 N (16) 乘以安全系數K=1.2,得 F1=K·F=811.44 N (17) 查閱該公司提供的產品相關資料，絲杠直徑BD=12mm時，絲杠動載荷Ca是2.5KN，Ca>F1，滿足要求。 （4）確定絲杠長度 絲杠總長一般是工作行程、螺母長度、安裝長度、連接長度和余量的總和。由所建立的三維實體模型可知絲杠總長為650mm。 （5）確定滾珠絲杠精度 在無特殊要求的情況下，根據一般選取的經驗，選用C7標準。C7標準表示選取絲杠精度等級為7級，300mm的絲杠長度上，行程誤差不超過0.050mm。 （6）校核扭矩 克服摩擦力Fa，也就是產生所需推力的驅動扭矩T： (18) 式中：Bη是進給絲杠的效率，取Bη=0.96。計算可得T=9.75 N·mm，遠小于伺服電機所能提供的扭矩，所以校驗合格。 綜上，所選擇的螺母絲杠技術參數如下表： 表3.3 絲杠螺母技術參數 螺母型號 直徑BD/mm 導程BP/mm 絲杠總長度BL/mm 絲杠動載荷Ca/KN 絲杠質量BW/kg 12×10-2 F型 切邊六孔 12 10 650 2.5 0.6 3.2.2伺服電機選擇 （1）伺服電機功率確定 估算出伺服電機的最大功率P： P=K(1+μ) WA·gv (19) 式中：WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系數0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數，取K=1.2。 計算得P=282.24W，取功率P=400W的交流伺服電機，可選電機型號：MSME 042G1，它的有關技術參數如下表： 表3.4 豎直移動伺服電機技術參數 電機型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉速n/(r·min-1) 最大轉速nmax/(r·min-1) 額定轉矩T/(N·m) 最大轉矩Tmax/(N·m) 轉子轉動慣量JM/(kg·cm2) 有無制動器 MSME 042G1 400 AC200 3000 6000 1.3 3.8 0.28 有 （2）伺服電機慣量比校核 測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質量BW=0.6kg，則負載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2) (20) 式中：JC是所選聯(lián)軸器的慣量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg，計算可得JL=1.19×10-4kg·m2。 預選電機的慣量JM=0.28×10-4 kg·m2，則慣量比： JL/JM=4.25倍<30倍 (21) （3）伺服電機轉矩校核 一般伺服電機的運轉模式如圖： 圖3.4 伺服電機運轉模式 由最大速度1m/s，移動距離為0.5m，可假設：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.4s，減速時間td=0.1s，循環(huán)時間tc=1.2s。 移動轉矩Tf： (22) 式中：Bη是進給絲杠的效率，取0.96；μ是摩擦系數，取0.1；其他參數可由前面的表格得到，計算上式得Tf=0.0325N·m。 加速時轉距Ta： (23) 式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Ta=0.956N·m。 減速時轉矩Td： (24) 式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Td=0.891N·m。 因此，最大轉矩就是加速時的轉矩Ta=0.956N·m，乘以安全系數K=1.2，TaK=1.15 N·m <3.8N·m（400W電機的最大轉矩）。 確認有效轉矩Trms： (25) 乘以K，TrmsK=0.454 N·m<1.3 N·m(400W電機額定轉矩)。根據以上計算可知功率750W電機滿足轉矩和慣量比要求，適合選用。 3.2.3聯(lián)軸器選擇： （1）選擇聯(lián)軸器 首先確定聯(lián)軸器的力矩T T=T1×K1×K2×K3 (26) 式中：T1是伺服電機的力矩，選擇伺服電機時可在手冊上查得，值為1.27N·m；K1、K2、K3是聯(lián)軸器的工況系數； 假定：負載變動較大，K1取1.7，每天運轉8h，K2取1.00，每小時啟停120次，K3 取1.5的條件下，T=3.24N·m，力矩不大，聯(lián)軸器可初步選擇夾緊式聯(lián)軸器。 夾緊式聯(lián)軸器是一種金屬彈性聯(lián)軸器，軸拆裝方便，但正常工作承受的力矩有限，對同軸度要求不是很高，并且該聯(lián)軸器正反轉時的轉動特性一致，非常適用于機器人等頻繁啟停的場合。 伺服電機的輸出軸徑Φ14mm和絲杠的輸入軸徑Φ10mm，由此選擇聯(lián)軸器型號TS4C-40-1014，如下圖。 圖3.5 鋁合金彈性聯(lián)軸器 （2）校核力矩 查閱企業(yè)聯(lián)軸器產品說明書[9]，TS4C-40-1014型聯(lián)軸器的擰緊力矩達4N·m，大于聯(lián)軸器實際工作時所承受的力矩T=3.24N·m，滿足實際要求。 3.3水平平移 水平盤滾珠絲桿傳動機構。螺母水平固定并旋轉的螺桿推動整個機器人臂相對于所述縱向平移螺母實現(xiàn)機械臂水平搖攝。 水平和垂直平移平移相同的傳輸模式，一致的運動參數，所以一致的螺母，伺服馬達和聯(lián)軸器選擇方法，不同之處在于電平不克服機械手臂翻譯重力，功耗減小，從而使馬達選擇功率發(fā)生變化。 3.3.1滾珠螺母絲杠選擇 水平平移自由度滾珠絲杠選擇同豎直平移，詳細技術參數見表3-3。 3.3.2伺服電機選擇 （1）伺服電機功率確定 估算出伺服電機的最大功率P： P=KμWA·gv (27) 式中：WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg；μ是摩擦系數0.1；v是平移最大速度1m/s；K是安全系數，取K=1.2。 計算得P=24W，取功率P=200W的交流伺服電機，可選電機型號：MSME 022G1，它的有關技術參數如下表： 表3.5 水平移動伺服電機技術參數 電機型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉速n/(r·min-1) 最大轉速nmax/(r·min-1) 額定轉矩T/(N·m) 最大轉矩Tmax/(N·m) 轉子轉動慣量JM/(kg·cm2) MSME 022G1 200 AC200 3000 6000 0.64 1.91 0.14 （2）伺服電機慣量比校核 測量絲杠的三維模型，得滾珠絲杠的質量BW=0.6kg，則負載部分的慣量： JL=JC+JB=JC+1/8·BW×BD2+WA·BP2/(4π2) (28) 式中：JC是所選聯(lián)軸器的慣量，JC=3.2×10-5kg·m2，WA是水平手臂質量，通過三維實體模型建立可得WA =20kg，計算可得JL=1.19×10-4kg·m2。 預選電機的慣量JM=0.14×10-4 kg·m2，則慣量比： JL/JM=8.5倍<30倍 (29) （3）伺服電機轉矩校核 伺服電機的運轉模式同豎直平移的運轉模式：加速時間ta=0.1s，勻速時間tb=0.4s，減速時間td=0.1s，循環(huán)時間tc=1.2s。 移動轉矩Tf不變，Tf=0.0325N·m。 加速時轉距Ta： (30) 式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Ta=0.868N·m。 減速時轉矩Td： (31) 式中：JL和JM分別是負載部分的慣量和預選電機的慣量，N是電機最高轉速100r/s，計算得Td=0.803N·m。 因此，最大轉矩就是加速時的轉矩Ta=0.868N·m，乘以安全系數K=1.2，TaK=1.04 N·m <1.91N·m（400W電機的最大轉矩）。 確認有效轉矩Trms： (32) 乘以K，TrmsK=0.411 N·m<0.64 N·m(400W電機額定轉矩)。 根據以上計算可知，慣量比和功率雖然有較大余量，但根據轉矩選擇200W電機。 3.3.3聯(lián)軸器選擇 （1）選擇聯(lián)軸器 聯(lián)軸器仍選用夾緊式彈性聯(lián)軸器，選擇方法同上，首先確定聯(lián)軸器的力矩T： T=T1×K1×K2×K3 (33) 式中：T1是伺服電機的力矩，選擇伺服電機時可在手冊上查得，值為0.64N·m；K1、K2、K3是聯(lián)軸器的工況系數； 假定：負載變動較大，K1=1.7，每天運轉8小時，K2=1.00，每小時啟停120次，K3=1.5的工況下，T=1.64N·m， 伺服電機的輸出軸徑Φ11mm和絲杠的輸入軸徑Φ10mm，由此選擇聯(lián)軸器型號TS4C-40-1011。 （2）校核力矩 查閱企業(yè)聯(lián)軸器產品說明書，TS4C-40-1011型聯(lián)軸器的擰緊力矩達4N·m，大于聯(lián)軸器實際工作時所承受的最大力矩T=1.64N·m，滿足實際要求。 3.4手臂末端操縱器旋轉 末端操縱器由法蘭盤連接，需承載3kg重物，伺服電機連接行星齒輪減速器，減速器輸出軸直接連接法蘭盤，帶動法蘭盤旋轉，如下圖： 圖3.6 末端傳動結構圖 預算法蘭盤連同末端操縱器和重物總共10kg。伺服電機和減速器的選擇方法同腰部電機和減速器的選擇，具體過程不再給出。 3.4.1伺服電機選擇 經估算，選擇電機功率100W，電機的相關參數如下表： 表3.6 末端伺服電機技術參數 電機型號 功率P/W 交流電源/V 額定轉速n/(r·min-1) 最大轉速nmax/(r·min-1) 額定轉矩T/(N·m) 最大轉矩Tmax/(N·m) 轉子轉動慣量JM/(kg·cm2) MSME 012G1 100 AC200 3000 6000 0.32 0.95 0.051 3.4.2減速器選擇 經估算，減速器選擇的型號是PL-50-120-S，相關技術參數如下表： 表3.7 末端行星減速器技術參數 減速器型號 減速比i 滿載效率 額定輸出扭矩T2N/(N·m) 轉動慣量J/(kg·cm2) 最大徑向力Fr/N 最大軸向力Fa/N PL-50-120-S 120 90％ 10 0.029 440 420 PL型減速器如圖所示： 圖3.7 PL型行星齒輪減速器 第四章 輔助機構設計 4.1 導線線路設計 機械有線線路的工具，如軟管或油箱鋪設一般使用鏈助劑。 坦克鏈通常安裝在機床上，牽引和保護電纜和軟管的，該儲箱的形狀卷繞機械輔助設備。坦克鏈一般用在往復運動更頻繁的場合，對牽引和保護導線和軟管。坦克，安裝和拆卸，在坦克鏈各環(huán)節(jié)的一些連接在一起的坦克，節(jié)與節(jié)是自由旋轉，線，鏈節(jié)從兩側打開，便于插入線。坦克鏈畫出一個。 圖4.1 坦克鏈一節(jié) 一般在兩個連接點之間有電纜連接，并且兩點間有相對的往復運動的情況下，考慮使用坦克鏈。線路簡圖如下圖所示： 1是軟管，2、3、4是坦克鏈條，5是外殼內布線 圖4.2 線路簡圖 所有的導線一起在基座的下端，與基座殼體固定連接。第一分路連接750W伺服電機內側基座的下基部。其余的由軟管上的機器人外殼腰部相連，可以舒展腰彎轉。從上從殼體槽的卡體的跡線的殼體部的腰部的轉移時，400W伺服電機連接到機器人的頂部，另一部分連接到在垂直方向移動坦克鏈滑塊，向上和一起向下與滑塊，坦克伸縮運動上下鏈。兩個伺服馬達水平地坦克鏈被連接到滑動件的橫向運動，沿所述水平運動與拉伸滑塊。絲的軟管和坦克鏈狀排列，并且在軟管或油箱鏈之間沒有相對運動。注意，導線在槽內的鏈填高達90％的空隙，最大在軟管填補80％的間隙。 4.2機構零點設計 當普通機床等機構剛剛起步，它必須首先確定整個組織的運動部件的位置，和機械零位相對機構，剛剛好下列行為由程序來控制操作順序。機構設計是確定機構零機械零位，并設計開始行開關和連接器。選擇傳感器的主要機構零的設計。傳感器選項包括：光柵傳感器，位移傳感器，壓力傳感器，限位開關。微動開關是機械武力，關閉迅速聯(lián)系的，因為它的價格便宜的機制，應用廣泛，可靠，便于安裝，所以使用的微動開關的零位開關的機器人。它的內部結構如下所示： 圖4.3 微動開關結構圖 上圖中：1)是操作體，2)是驅動桿，3)是接點間隔，4)是端子，5)是可動片，6)是安裝孔，7)是開關外殼。在本次設計的機器人中，操作體是機械手臂上的外殼，外殼前進壓上驅動桿，驅動桿傳導外力至內部彈簧結構，推動可動接點進行開關動作。 微動開關安裝位置如下圖表示： 1、2、3、4均為微動開關 圖4.4 微動開關安裝位置  第5章 機械結構改進設計及定位精度分析 5.1 機械結構改進設計 優(yōu)化設計是一門新興學科，它是基于數學規(guī)劃理論和計算機編程的基礎上，數字電腦計算，許多在尋找最好的或最合適的設計，希望的設計，使所需的經濟指標均達到最佳，它可以成功地解決復雜的問題，以及其它的分析方法是難以解決的，優(yōu)化的設計提供了一個重要的科學設計方法的工程設計，因此采用這種設計方法可以大大提高設計效率和設計質量。優(yōu)化設計主要包括兩個方面：一是如何準確地反映設計問題到實際問題，適用于優(yōu)化數學模型，數學模型包括：選擇合適的設計變量，目標函數的優(yōu)化問題和制約因素。我們的目標函數是關系優(yōu)化指標設計問題和制約因素之間所需的設計變量的函數反映的范圍和設計變量來實現(xiàn)相互之間的關系;第二個是如何獲得的最優(yōu)解的數學模型：這可以歸因于需要在給定的目標函數的極值條件或最佳值的問題。機械設計是對于給定的負載或環(huán)境條件的優(yōu)化，機械產品形式，幾何關系或其他因素，功能的機械系統(tǒng)，強度和經濟性為目的的優(yōu)化的范圍內，選擇的設計變量。成立 目標函數和約束條件，目標函數來獲取的現(xiàn)代設計方法的最佳值，當前機械優(yōu)化設計已被廣泛應用于航天，航空和國防的各個部門。優(yōu)化設計是20世紀60年代初期和發(fā)展，這是最優(yōu)化理論和計算機技術在設計領域，提供了重要的科學的設計方法，工程設計。有了這個新的方法，我們可以找出最佳的設計，從而大大提高了設計效率和質量。因此，優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計理論與方法的一個重要領域，它已被廣泛應用于各種工業(yè)部門。數值優(yōu)化方法的發(fā)展經歷了數值分析和非數值分析的三個階段。數學規(guī)劃在20世紀50年代開發(fā)的應用形成數學的一個分支，進行優(yōu)化設計奠定了理論基礎。 1960年開發(fā)計算機和計算機技術進行優(yōu)化設計提供了強有力的手段，使工程師專注于選擇最佳的解決方案。優(yōu)化技術成功地應用于機械設計或啟動了20世紀60年代后期，在開發(fā)計算機輔助設計（CAD）近年來，引進優(yōu)化設計方法后，使得無論在設計，工程和設計參數，以保持選擇的優(yōu)化設計，但同時加快設計速度，縮短設計周期。在科學技術的發(fā)展要求機械產品更新日益所以今天，優(yōu)化設計和計算機輔助設計相結合，使一個完全自動化的工程設計，這已經成為一個重要趨勢的設計方法。 優(yōu)化設計方法多樣，主要有以下幾種：1無約束優(yōu)化設計方法;無約束的優(yōu)化設計，優(yōu)化設計并不綁定功能，不受約束可以分為兩類，一類是利用目標函數的第一或二階導數的無約束優(yōu)化方法，如最速下降法，共軛梯度法，牛頓法和變尺度方法。無約束最優(yōu)化方法，另一種是只使用目標函數值，如坐標旋轉法，單純形法和替換鮑威爾方法。這種方法的計算效率高，穩(wěn)定性好。 2約束優(yōu)化設計方法：優(yōu)化問題最約束優(yōu)化問題，根據處理的限制的方法，可分為直接和間接方法。直接的方法常用的方法有復雜的方法，約束坐標旋轉法，網絡法。它的意義在于構建一個反復的過程，使每一個迭代點在可行區(qū)域，同時逐步減少目標函數值，直到找到一個最佳的解決方案。遺傳算法 遺傳算法（遺傳算法簡稱GA），在20世紀70年代初由荷蘭密歇根州（Michigan）的大學新的可能性的美國（荷蘭）教授提出的優(yōu)化方法。 GA的所提出的算法，它模仿法的自然演進，對隨機生成的人口繁殖進化和自然選擇，適者生存的非確定性的性質，而不是那些出來，如此循環(huán)，使品質和人群不斷變化的個體，質量最終收斂于全局最優(yōu)解。遺傳算法是健壯，適應性，全局優(yōu)化和隱含并行。主要應用領域：函數優(yōu)化，組合優(yōu)化，機器學習，控制近年來在遺傳算法，圖像處理，故障診斷，人工生命而言，在機械工程領域的神經網絡也進行了廣泛的應用，主要表現(xiàn)在： （1）機械結構優(yōu)化：簡單的遺傳算法的線性健身，不斷交叉和變異概率不能動態(tài)地適應整個優(yōu)化過程中提出的非線性健身和自適應的交叉和改進遺傳算法變異概率， 該算法為解決工程結構優(yōu)化，功能多的極端問題的參考。 （2）可靠性分析：根據建議的制度框架，遺傳算法來優(yōu)化系統(tǒng)的可靠性框架結構的可靠性分析。 （3）診斷：網絡權和偏置在現(xiàn)實形式的基因構成染色體載體，利用基因多點交叉和突變的人口動態(tài)最優(yōu)選擇，我們提出了一個新的基因 算法，并在此基礎上設計出的變壓器故障診斷系統(tǒng)網上基于遺傳算法和溶解氣體分析。 （4） 參數識別：在現(xiàn)有的TS模型參數的識別方法的基礎上，提出了一種最小二乘方法之前結束粗標識參數，以確定近似的范圍的參數，然后遺傳算法參數的前提下，并結論參數同時優(yōu)化參數辨識。 （5）機械構造：通過機械設計過程中的狀態(tài)下的空間來解決問題，利用遺傳算法來控制搜索過程，建立完善的系統(tǒng)，新的遺傳密碼，以適應新的編碼系統(tǒng)，以重建交叉突變和遺傳操作，并利用復制，交換和突變發(fā)生一次迭代，最后自動生成一組優(yōu)化設計。此外，GA也可以在模糊邏輯控制器（FLC），機器人運動學使用，逆向工程，節(jié)能設計，復合材料優(yōu)化，金屬成型，數控加工誤差控制和自適應預測等方面的優(yōu)化。盡管遺傳算法來解決很多問題，但仍存在不少問題，如參數優(yōu)化算法本身，如何避免過早收斂，如何提高經營方式或引進新的行動，以提高算法的效率，遺傳算法;和其他優(yōu)化算法的問題相結合。遺傳算法求解約束優(yōu)化問題，一般罰函數法，算法懲罰因子的合理選擇是難點所在。太小懲罰因子，它可能會導致極小解極小解不是整個罰函數的原始目標函數;懲罰因子取得過大，可能會導致多個局部最小值的可行域，以搜索過程更加困難。但研究方法來挽回局勢，為遺傳算法，高效，穩(wěn)健，幾乎沒有人涉及通用處理時間限制。因此，為了保證在遺傳算法求解約束優(yōu)化問題可以發(fā)展自己的才能和遺傳算法的方法求解約束優(yōu)化問題還需要進一步研究。 機械優(yōu)化設計和產品開發(fā)：生產是中心任務，和競品 5.2 定位精度分析 1.機器人精度：精度機器人的位姿精度包括路徑精度。這主要是由于機械誤差（傳輸錯誤，關節(jié)間隙和柔性連桿機構），控制誤差和錯誤的解決算法。 （1）姿勢的準確性姿精度偏差表示指令位置和指令從相同方向接近時，真正的地方姿勢姿態(tài)平均取向。姿勢的精度被分成： 1） 位置精度：指令構成的實際位置，并且群集中心的位置之間的差。 B）姿態(tài)精度：指令姿勢和姿勢真正改變態(tài)度的平均水平。 2） 路徑精確性表示從相同的起始點的偏移到達的過程中，機器人關節(jié)命令軌跡和實際軌跡平均的同一端。 2.機器人精度= 0.5基準分辨率+ 3機制的錯誤。重復定位精度：指機器人姿勢相同的指令，從同一方向N次之后，實際上，與位置和姿態(tài)傳播抵觸的范圍內的重復響應,,它是統(tǒng)計數據的準確性。 4.地點：地點是有序的機器人機器或持有人具有相對固定的位置。 5.追蹤：指的是工業(yè)用機器人的運動的軌跡，即該點，速度和加速度的位置。 6.軌跡精度;指機器人關節(jié)之間的小偏差，以產生實際軌跡與理論軌跡。 7.運動學及參數：運動是利用坐標和坐標變換矩陣方程來描述機器人關節(jié)的每一個動作的運動，描述其運動軌跡，因此計劃實現(xiàn)其控制和軌跡。它分為兩大類，正和逆運動學，正向運動學開始從支架坐標，之后的坐標矩陣變換矩陣坐標機器人，逆運動學反之亦然的關節(jié)位置和方向。主的主要參數包含坐標，角度和其它變換矩陣。 8. 機器人動力學和參數：有效控制機器人，優(yōu)化設計和仿真的目的機器人之間的關系動力學主要研究機器人的運動和力量。機器人動力學問題可分為正，逆問題。 n中的問題是公知的，每個機器人關節(jié)的驅動力（或扭矩）來解決機器人（關節(jié)位移，速度和加速度）主要用于機器人仿真研究，逆問題是公知的，每個關節(jié)的關節(jié)力或力矩解決所需。主要用于實時控制機器人。主要參數包括位移，速度，角度，加速度，角加速度 9機器人標準和技術規(guī)格：機器人標準包括通用技術標準，安全標準，驗收標準，測試標準，接口標準，形狀和顏色標準，產品標準。工業(yè)機器人的安全性的基本要求，推動控制要求，與安全相關的控制系統(tǒng)的性能（軟件/硬件）的要求，機器人停止功能要求，減速控制要求，操作要求模式，教控制要求和安全要求和試驗方法確認校準的具體要求：指的是校對的機械，設備等很準確。在特定條件下，與參考標準，包括參考材料，包括測定裝置分配的特性，并確定它的指示誤差。校準是基于校準規(guī)范或校準方法可用于統(tǒng)一的規(guī)定可能是它自己的。校準結果記錄在校準證書或校準報告也可以在校準因子或校準曲線的形式提供表示該校準結果。 標準：標準是獲得在一定范圍內的最佳秩序，經協(xié)商一致制定，經公認機構規(guī)范性文件，共同使用和重復使用。它鞏固了科學，技術和實踐經驗的成果的基礎上，由有關，特別是在經主管機關核準發(fā)行的形式各方共識，為共同準則和合規(guī)性的基礎。 標準制定和除以采用國際標準，區(qū)域標準型，國家標準，行業(yè)標準， 企業(yè)標準。國家標準（GB）：國家標準，這是經國家標準化主管部門發(fā)布的具有重要意義的國家經濟，技術的發(fā)展，并在統(tǒng)一的國家，國家標準是全國范圍內統(tǒng)一的技術要求。國家標準分為強制性國標（GB）和推薦性國家標準（GB / T）。行業(yè)標準：統(tǒng)一標準的范圍內的工業(yè)在該國。行業(yè)標準分為強制性和推薦性標準。企業(yè)標準：協(xié)調行業(yè)標準的企業(yè)范圍內的需求，技術要求，管理要求和工作要求制定標準化。由企業(yè)制定企業(yè)標準，高管領導的企業(yè)法人代表或批準和頒布的授權法定代表人。企業(yè)標準一般是“Q”作為企業(yè)標準的開頭。關系：一是行業(yè)標準和企業(yè)標準必須服從國家標準，他們三個，國家標準的最高水平，其次是行業(yè)標準，企業(yè)標準的最低水平。行業(yè)標準由國務院有關行政主管部門，并提交給標準化主管的國務院行政主管部門。當相同的內容 國家標準公布后，對于內容的行業(yè)標準廢止。它們之間的主要區(qū)別在于，在第??一的三個不同的范圍，因為該國的國家標準，行標行業(yè)的工業(yè)中，標準速率只對企業(yè)在行業(yè)中。也不同制定機構，不同的權限。機器人可靠性：可靠性是機器人機械手的規(guī)定條件下的能力，在規(guī)定時間（在產品的預期壽命）內，完成所需的功能（設計目的）。機器人系統(tǒng)屬于間歇性的工作，可靠性或MTBF可靠性應作為他的主要目標。一致性：指機器人的使用的過程中，具有運動和校準路徑的軌跡相一致的程度。平均無故障時間：指多久第一故障發(fā)生之前，它反映了時間機器人的質量機器人的正常操作中，機器人被實施，以保持在規(guī)定的時間內的功能的能力。效果的機器人可靠性，一致性和故障時間因素：設計缺陷，性能和制造工藝的部分和其它部件，以及裝配過程中和測試方法。 第六章 總結與展望 5.1總結 四自由度直角機器人具有非常廣泛的四自由度直角坐標機器人的領域的應用中，設計的主要目的是真正業(yè)需要的組合，設計一種方法來自動搬運工件四個自由度直角坐標機器人的，這種類型的機器人的有四個自由度。歸納如下： （1）設計的任務是使用三維設計軟件，完成四自由度直角坐標機器人及仿真分析，以驗證其正確性的整體設計; 以下任務（2）完成：完整的機器人機械設計，包括一個底座，腰部旋轉平臺，垂直機身，水平臂和回轉平臺設計的尖端;完成交流伺服電機，行星齒輪減速機，選用滾珠絲杠等產品;簡單的外殼設計完